基于MMC的光儲(chǔ)系統(tǒng)控制策略研究

盧奇 洪曉燕 李佳鵬 李凱

摘要：光儲(chǔ)系統(tǒng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了分布式光伏電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率互補(bǔ)，保證了電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)提高了電能質(zhì)量。現(xiàn)提出一種光儲(chǔ)系統(tǒng)控制策略，從模塊化多電平變流器入手，將光伏逆變器和變流器加入光儲(chǔ)系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電和電池儲(chǔ)能兩大功能，具有輸出電壓高、功率開關(guān)電壓應(yīng)力小以及開關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn)。從調(diào)制策略、功率控制、荷電狀態(tài)均衡控制等方面對(duì)所提控制策略進(jìn)行了研究，Simulink仿真證明了策略的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;電池儲(chǔ)能;模塊化多電平變流器;功率控制;荷電狀態(tài)均衡控制

0? ? 引言

近幾年來(lái)，太陽(yáng)能等清潔可再生能源受到了人們的廣泛關(guān)注。但傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)存在諸多不足，尤其考慮到太陽(yáng)能的隨機(jī)性和間歇性，其導(dǎo)致了電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)以及繼電保護(hù)裝置不正常工作等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，傳統(tǒng)的兩電平和三電平變流器技術(shù)備受關(guān)注并被廣泛應(yīng)用，該技術(shù)通過(guò)串并聯(lián)諸多小容量的電池單體的工作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能大容量化。但電池的串并聯(lián)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生不均衡，很大程度上危害了電池壽命和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，這就意味著系統(tǒng)的電池管理模塊將成為研究焦點(diǎn)。

模塊化多電平變流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的模塊化程度較高，因而冗余性、波形質(zhì)量和開關(guān)損耗等關(guān)鍵控制目標(biāo)都得到了很好的改善，因此模塊化多電平變流器在光伏發(fā)電領(lǐng)域受到了大多數(shù)研究者的青睞[1-2]。與此同時(shí)，模塊化這一特點(diǎn)決定了儲(chǔ)能單元在整體結(jié)構(gòu)中以低壓分散的形式存在，模塊電池組電壓等級(jí)可供選擇的范圍增大[3-5]。除了這些特點(diǎn)外，MMC光儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)其他方面也有很大影響：系統(tǒng)的運(yùn)行效率因?yàn)楣夥蛢?chǔ)能的結(jié)合大大提高，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也得到改善;更重要的是，光儲(chǔ)系統(tǒng)能量的消耗和儲(chǔ)存能夠通過(guò)對(duì)交流電網(wǎng)功率流動(dòng)的控制從而得到合理控制[6-8]。因此，本文將基于MMC的光儲(chǔ)系統(tǒng)作為對(duì)象，對(duì)其控制策略展開了研究，目的在于提高光儲(chǔ)系統(tǒng)的電能質(zhì)量及輸出效率。

1? ? MMC光儲(chǔ)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1? ? MMC光儲(chǔ)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1是MMC光儲(chǔ)系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu)圖，圖中PV代表光伏陣列，C1和C2為直流側(cè)濾波電容，Ls是交流側(cè)濾波電感，La是橋臂濾波電感。其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)MMC構(gòu)造基本相同。

儲(chǔ)能子模塊結(jié)構(gòu)如圖1右上所示，一個(gè)儲(chǔ)能子模塊單元中，T1、T2為兩個(gè)可控開關(guān)器件，D1、D2為兩個(gè)反并聯(lián)二極管，C0代表子模塊電容，低壓儲(chǔ)能電池為Bat。如果忽略子模塊與電池之間的線路阻抗，并聯(lián)在直流側(cè)的儲(chǔ)能子模塊電容電壓等于電池電壓，故分析時(shí)儲(chǔ)能電池電壓可認(rèn)為其保持一個(gè)恒定值。針對(duì)該拓?fù)洌疚倪x用的是載波移相調(diào)制（Carrier Phase Shifting Pulse Width Modulation，CPS-PWM），通過(guò)三角載波與調(diào)制波比較輸出所需的控制信號(hào)。

1.2? ? 儲(chǔ)能子模塊的工作原理

儲(chǔ)能子模塊工作原理如圖2所示。

由圖可得，儲(chǔ)能子模塊的工作模式如表1所示。

根據(jù)上述分析可知，每個(gè)橋臂帶有的4個(gè)子模塊可以引發(fā)5電平的階梯波。由此可以得出，儲(chǔ)能子模塊的工作模式?jīng)Q定了MMC交流側(cè)輸出多電平電壓、對(duì)交流電壓的精準(zhǔn)控制以及直流電壓的控制。

2? ? MMC光儲(chǔ)系統(tǒng)的功率控制

2.1? ? 交流接口電流的控制

靜止坐標(biāo)系下MMC系統(tǒng)的單相等效電路經(jīng)坐標(biāo)變換后得旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型，其中的id、iq依然互相牽制，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電流id、iq的完全解耦，因而本文采用PI調(diào)節(jié)對(duì)電流id、iq進(jìn)行控制。交流接口的輸出電壓ud、uq控制方程如下：

式中：id*、iq*分別為dq坐標(biāo)系下交流接口電流的參考值;kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù);ki為積分調(diào)節(jié)的參數(shù)。

控制原理如圖3所示，uxref為交流接口電壓控制信號(hào)，通過(guò)對(duì)uxref的控制進(jìn)而控制ix。

2.2? ? 光伏陣列接口電流的控制

在三相對(duì)稱MMC系統(tǒng)中，流經(jīng)三個(gè)橋臂的光伏陣列的電流是相同的。一旦ix被控制住，光伏陣列接口電流idc會(huì)因三相上、下橋臂電流之和變化而發(fā)生改變。而MMC系統(tǒng)在大多數(shù)情況下處于不平衡狀態(tài)，這就決定了光伏陣列接口電流idc會(huì)產(chǎn)生高次環(huán)流，因此抑制ijf就顯得很有必要。光伏陣列接口電流的控制原理圖如圖4所示，圖中目標(biāo)值Idc*/3的作用是使得光伏陣列接口電流在三相中均勻分配。

由此可以得出橋臂電壓表達(dá)式：

圖5為模塊化光儲(chǔ)系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)圖，其中upj_ref和unj_ref分別為上、下橋臂的調(diào)制信號(hào)。

3? ? MMC光儲(chǔ)系統(tǒng)的SOC均衡控制

3.1? ? 相間SOC均衡控制

子模塊電池在最開始或者工作一段時(shí)間后各相的平均SOC會(huì)有所不同，采取措施使得各相的SOC近似相同。為了實(shí)現(xiàn)各相SOC均衡，本文采取控制光伏陣列接口環(huán)流分量的策略。具體原理是人為改變光伏陣列接口電流在各相中的分配比例，從而每相子模塊電池的充放電功率也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。原理圖如圖6所示，圖中的Idc*′/3即為重新分配比例后的各相電流環(huán)流分量。

3.2? ? 相內(nèi)SOC均衡控制

級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中，電池的充放電功率與各個(gè)子模塊的電壓是正比關(guān)系，因而只需對(duì)各個(gè)子模塊的電壓疊加一個(gè)相應(yīng)的分量，從而改變各個(gè)模塊功率分配，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)相內(nèi)電池SOC的均衡控制。具體如圖7所示。

4? ? 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所提出控制策略的可行性，以表2所示的參數(shù)進(jìn)行仿真。

圖8為交流輸出端三相電壓，由于MMC的PVG-BESS的多電平輸出特性，輸出電壓基本為五電平的正弦波。圖9為交流輸出端三相電流，波形同樣基本為正弦波，波形質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。圖10為網(wǎng)側(cè)端三相電壓，波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。

圖11為0.5 s時(shí)三相子模塊組SOC均衡控制的仿真結(jié)果，三相子模塊組SOC初始值分別為40%、50%、60%。圖11為A、B、C三相第一個(gè)子模塊電池的SOC變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)加入了SOC平衡控制，0.5 s時(shí)，子模塊a1的SOC從40%上升到了40.013%，增加了0.013%;子模塊b1的SOC從50%上升到了50.003 6%，增加了0.003 6%;子模塊c1的SOC從60%上升到了60.000 75%，增加了0.000 75%?？梢钥闯觯谡麄€(gè)過(guò)程中三相的子模塊電池朝著同一方向變化，近似均衡，且SOC小的增長(zhǎng)快，SOC大的增長(zhǎng)慢，符合均衡控制的預(yù)期。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文將MMC、電池儲(chǔ)能、光伏發(fā)電三者結(jié)合，給出了基于MMC的PVG-BESS的控制方法，包括調(diào)制策略、交直流功率控制、SOC均衡控制，并針對(duì)每個(gè)部分建立了數(shù)學(xué)模型，給出了控制策略。電池與外部直流接口、外部交流接口之間進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)移，在很大程度上避免了傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量不可靠的問(wèn)題，這一控制系統(tǒng)對(duì)大容量新能源發(fā)電系統(tǒng)有很大的價(jià)值。本文基于該控制系統(tǒng)提出的子模塊SOC均衡控制策略，是通過(guò)人為調(diào)控光伏陣列接口電流在各相中的分配比例使各蓄電池SOC趨向均衡的。此外，該系統(tǒng)在降低柔性直流輸電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的同時(shí)提高了裝置的可靠性，使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，也更便于維護(hù)。

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收稿日期：2020-07-29

作者簡(jiǎn)介：盧奇（1981—），男，吉林四平人，工程師，研究方向：能源領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)、能源材料問(wèn)題關(guān)鍵核心技術(shù)深化挖掘在智能電網(wǎng)與智慧用電中的實(shí)踐。